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本设计提出一种能够对前方人体和障碍物自动检测的智能手杖。该手杖采用采用物联网技术，利用GPS定位和GSM通信实现对盲人位置的跟踪和监视，红外传感器和超声波传感器相融合的方式自动躲避行进路径中的人体和障碍物。行走过程中产生声音提示路径信息，紧急情况时通过短信将手杖的GPS定位信息发送到监护人手机上。通过三维制图软件设计手杖的机械结构，制成实物在城市常规的行人道路上，模拟盲人出行的实际情况，对产品的工作状况进行了记录，验证了所设计智能手杖的实用性。
关键词：导盲手杖；智能控制；超声波测距；GPS；GSM
1 绪论
中国是世界盲人最多的国家，目前约有 500 万盲人，占世界盲人总数的 18%，低视力者 600 多万。盲人出行的问题是一个不可忽视的社会问题。盲人导航设备在历史上大致经历了以下几个过程：导盲棍、盲道砖、导盲犬和电子导盲系统。导盲棍可以在盲人外出时，本身导盲杖很难对盲人行走路线进行检测，最多起到安全警示作用，提示大家帮助盲人出行。盲道砖以及盲人通道是现代化社会中常用的盲人帮助设施。是专门为盲人设计的地砖，防止盲人走错道路，摔倒时防止摔伤。导盲犬是经过严格训练的犬，是工作犬的一种。它们习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束，懂得很多口令，可以带领盲人安全地走路。电子导盲仪通过配备一些实用传感器，可以有效的帮助盲人进行通行及其他生活服务。同时，国内外对于传感器的研究在近几年也有很快的发展， 2008年，丁立军，华亮，陈峰等人发表了《基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制》，重点介绍了感测系统的软硬件设计，详细叙述了感测系统的理论和实验研究。2016年，比利时哥特大学（Ghent University）的Steven Verstockt等人设计了一款多传感器烟雾探测器，应用于火灾报警系统，其论文对于多传感器的实现有详细的介绍。国内外基于多传感器的研究屡见不鲜，这对于对多传感器应用到智能手杖上有一定的帮助。其次是GPS（Global Positioning System）系统。2009年福州大学的杨艇，进行了基于GSM和Google Earth的GPS远程定位技术研究，其在发表的论文中详细论述了远程定位技术的实现方法。这一研究对于智能盲人手杖的GPS定位实现有指导性的作用。可见，电子式导盲设备具有非常优异的性能，更加适合盲人使用。为此，本设计设计并制作一套智能导盲手杖。
2 系统总体硬件结构设计
本设计提出一种能够对前方人体检测、障碍物检测的智能手杖。当检测到前方出现障碍物时，或者前方有行人靠近，此时都进行声音报警，提示用户进行规避。此外，如果盲人因为发生碰撞造成受伤，或者自身感到不适，可以按下手动报警按键，实现手动短信报警和声音报警。提示监护人和周围人员尽快提供救助。
3 系统硬件电路设计
3.1 单片机选型
本设计中，单片机起到非常重要的作用。通过超声波和红外传感器检测出现或者即将出现碰撞，并驱动 GPS 模块来进行经纬度定位、驱动 GSM 模块来发送短信、驱动声音报警电路进行声音报警等功能。因此，单片机的性能决定整体系统的性能。同时，考虑到目前已经学会使用 STC89C51 单片机，并且该单片机完全可以满足系统需求，因此此次设计中，单片机选用 STC89C51。
3.2 定位模块选型
本设计中，经纬度定位选用 UBLOX-6M 模块进行设计。UBLOX-6M 具有非常简单地外围电路，最精简的外电路只需要 5 个元件。因此极大地降低的模块的设计难度，并且定位精度和时效都做了优化，因此该芯片具有非常优异的性能。在本设计中，该模块可以有效减少电路设计工作的负担，同时能够得到较好的使用效果，所以本设计选用该模块。
3.3 通信模块选型
本设计 GSM 模块选用 SIM800A。SIM800A 模块可支持两频 GSM/GPRS，工作频段为：EGSM900 和 DCS1800MHz。SIM800 系列 GSM，是 SIM 公司面向智能电话机开发的一款 GSM 模块。其中 SIM800A 模块具有低功耗，高稳定性，注册网络快的特点，本设计选用该型号进行 GSM 电路设计。SIM800A 外围电路简单，信号效果强，对天线的要求较低，非常适合本设计的救援抢险环境中使用。
3.4 测距传感器选型
超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。本设计中，超声波传感器模块选用 HC-SR04。
3.5 人体检测传感器选型
对于人体的检测，是导盲手杖必备的。因为在人行道上，需要在与行人发生碰撞前进行报警。超声波传感器对于行走的人体，检测效果较差，因此必须配备专用人体感应模块。本设计中，选用的是热释电人体感应模块。该模块具有采集准确且迅速的特点，非常适合本设计使用。
3.6 总体电路设计
本设计中，单片机需要完成红外传感器、超声波传感器。按键输入这三个输入量的采集。根据采集的输入量，决定是否产生报警。如果需产生报警，首先产生声音报警，并立刻开始收集 GPS 定位经纬度信息，并通过短信发送到监护人手機上。系统总体硬件电路图如下所示。
其中，单片机的是复位电路、晶振电路、电源电路缺一不可。复位电路，采用的是上电复位电路。晶振电路，采用的是 11.0592M 晶振进行设计。单片机的电源，采用 5V供电。经过上述 3 个电路的设计，单片机就可以正常的工作。此时，再通过 P1.1 引脚采集人体信号，通过 P3.2 和 P3.3 引脚，驱动超声波传感器实现距离测量。当发生意外时，采用串口接收引脚接收 GPS 输入来的定位经纬度信息，然后通过串口发射端，驱动GSM 短信报警模块，实现远程报警。再通过单片机 P1.0，驱动蜂鸣器报警。 4 系统软件设计
本设计的软件部分，主要是实现对硬件电路中输入信号进行采集，并根据红外人体传感器和超声波传感器的输入，决定是否需要进行报警。
具体流程图如下所示：
流程图中，在系统上电后，首先对 GSM 模块进行配置，包括修改 GSM 模块为收发英文短信模式。配置好之后，在进行人体感应和距离感应的数据采集。如果发生上述问题，此时就需要及时进行声音报警和短信报警。
5 系统机械结构设计
在本设计中，如果单纯的只是设计硬件电路板，而没有手杖模型进行装配，并将会影响到本设计的实际使用效果。为此，采用犀牛 Rhino 4.0 来进行机械结构的设计。Rhino 4.0 是近幾年发展迅速的一种机械图纸设计软件，具有易学易懂的特点，收到大家的追捧。本设计采用 Rhino 4.0 软件，设计智能手杖的手持部分机械结构设计、手杖防滑处理。
6 实物制作
在系统的硬件选型与设计完成后，为了检验设计的合理性，必须经过实物加工检验。首先，按照电路图进行整体电路的焊接。电路焊接首先需考虑元件高度，先把高度较低的元件焊接好，再依次焊接高度较高的元件，直到所有元件焊接完毕。
在此基础上，应检查线路是否有虚焊、电路的情况。检测时先不直接上电，采用万用表即可完成检测。当电路没有短路、断路时，表明电路初步正确，此时才可以通电进行测试。在测试汇总，发现液晶屏的两个引脚短路。发现问题后，及时进行修改。
7 结论
本设计的硬件电路中，单片机需要完成红外传感器、超声波传感器。按键输入这三个输入量的采集。根据采集的输入量，决定是否产生报警。如果需产生报警，首先产生声音报警，并立刻开始收集 GPS 定位经纬度信息，并通过短信发送到监护人手机上。
软件部分，按照硬件电路的结构和元件选择，进行了程序开发。在系统上电后，程序首先对 GSM 模块进行配置，包括修改 GSM 模块为收发英文短信模式。配置好之后，在进行人体感应和距离感应的数据采集。如果发生上述问题，此时就需要及时进行声音报警和短信报警。
硬件电路和软件程序设计好之后，又做了手杖的外壳机械模型。采用 Rhino 4.0软件，在充分考虑到电路板的尺寸和装配情况，需要多次测试，最终确定下来即可。
经过上述内容，制作的实物满足设计要求，具有一定的实际使用价值。
参考文献
[1]沈爱英.社区老年人跌倒的原因分析及护理干预进展.解放军护理杂志.2009.
[2]于南翔，陈东义，夏侯士戟.可穿戴计算技术及其应用的新发展.数字通信.2012.4.
[3]李刚.疯狂 Android 讲义.电子工业出版社.2011.7.
[4]杨丰盛.Android 应用开发揭秘.机械工业出版社.2010.1.
关键词：导盲手杖；智能控制；超声波测距；GPS；GSM
1 绪论
中国是世界盲人最多的国家，目前约有 500 万盲人，占世界盲人总数的 18%，低视力者 600 多万。盲人出行的问题是一个不可忽视的社会问题。盲人导航设备在历史上大致经历了以下几个过程：导盲棍、盲道砖、导盲犬和电子导盲系统。导盲棍可以在盲人外出时，本身导盲杖很难对盲人行走路线进行检测，最多起到安全警示作用，提示大家帮助盲人出行。盲道砖以及盲人通道是现代化社会中常用的盲人帮助设施。是专门为盲人设计的地砖，防止盲人走错道路，摔倒时防止摔伤。导盲犬是经过严格训练的犬，是工作犬的一种。它们习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束，懂得很多口令，可以带领盲人安全地走路。电子导盲仪通过配备一些实用传感器，可以有效的帮助盲人进行通行及其他生活服务。同时，国内外对于传感器的研究在近几年也有很快的发展， 2008年，丁立军，华亮，陈峰等人发表了《基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制》，重点介绍了感测系统的软硬件设计，详细叙述了感测系统的理论和实验研究。2016年，比利时哥特大学（Ghent University）的Steven Verstockt等人设计了一款多传感器烟雾探测器，应用于火灾报警系统，其论文对于多传感器的实现有详细的介绍。国内外基于多传感器的研究屡见不鲜，这对于对多传感器应用到智能手杖上有一定的帮助。其次是GPS（Global Positioning System）系统。2009年福州大学的杨艇，进行了基于GSM和Google Earth的GPS远程定位技术研究，其在发表的论文中详细论述了远程定位技术的实现方法。这一研究对于智能盲人手杖的GPS定位实现有指导性的作用。可见，电子式导盲设备具有非常优异的性能，更加适合盲人使用。为此，本设计设计并制作一套智能导盲手杖。
2 系统总体硬件结构设计
本设计提出一种能够对前方人体检测、障碍物检测的智能手杖。当检测到前方出现障碍物时，或者前方有行人靠近，此时都进行声音报警，提示用户进行规避。此外，如果盲人因为发生碰撞造成受伤，或者自身感到不适，可以按下手动报警按键，实现手动短信报警和声音报警。提示监护人和周围人员尽快提供救助。
3 系统硬件电路设计
3.1 单片机选型
本设计中，单片机起到非常重要的作用。通过超声波和红外传感器检测出现或者即将出现碰撞，并驱动 GPS 模块来进行经纬度定位、驱动 GSM 模块来发送短信、驱动声音报警电路进行声音报警等功能。因此，单片机的性能决定整体系统的性能。同时，考虑到目前已经学会使用 STC89C51 单片机，并且该单片机完全可以满足系统需求，因此此次设计中，单片机选用 STC89C51。
3.2 定位模块选型
本设计中，经纬度定位选用 UBLOX-6M 模块进行设计。UBLOX-6M 具有非常简单地外围电路，最精简的外电路只需要 5 个元件。因此极大地降低的模块的设计难度，并且定位精度和时效都做了优化，因此该芯片具有非常优异的性能。在本设计中，该模块可以有效减少电路设计工作的负担，同时能够得到较好的使用效果，所以本设计选用该模块。
3.3 通信模块选型
本设计 GSM 模块选用 SIM800A。SIM800A 模块可支持两频 GSM/GPRS，工作频段为：EGSM900 和 DCS1800MHz。SIM800 系列 GSM，是 SIM 公司面向智能电话机开发的一款 GSM 模块。其中 SIM800A 模块具有低功耗，高稳定性，注册网络快的特点，本设计选用该型号进行 GSM 电路设计。SIM800A 外围电路简单，信号效果强，对天线的要求较低，非常适合本设计的救援抢险环境中使用。
3.4 测距传感器选型
超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。本设计中，超声波传感器模块选用 HC-SR04。
3.5 人体检测传感器选型
对于人体的检测，是导盲手杖必备的。因为在人行道上，需要在与行人发生碰撞前进行报警。超声波传感器对于行走的人体，检测效果较差，因此必须配备专用人体感应模块。本设计中，选用的是热释电人体感应模块。该模块具有采集准确且迅速的特点，非常适合本设计使用。
3.6 总体电路设计
本设计中，单片机需要完成红外传感器、超声波传感器。按键输入这三个输入量的采集。根据采集的输入量，决定是否产生报警。如果需产生报警，首先产生声音报警，并立刻开始收集 GPS 定位经纬度信息，并通过短信发送到监护人手機上。系统总体硬件电路图如下所示。
其中，单片机的是复位电路、晶振电路、电源电路缺一不可。复位电路，采用的是上电复位电路。晶振电路，采用的是 11.0592M 晶振进行设计。单片机的电源，采用 5V供电。经过上述 3 个电路的设计，单片机就可以正常的工作。此时，再通过 P1.1 引脚采集人体信号，通过 P3.2 和 P3.3 引脚，驱动超声波传感器实现距离测量。当发生意外时，采用串口接收引脚接收 GPS 输入来的定位经纬度信息，然后通过串口发射端，驱动GSM 短信报警模块，实现远程报警。再通过单片机 P1.0，驱动蜂鸣器报警。 4 系统软件设计
本设计的软件部分，主要是实现对硬件电路中输入信号进行采集，并根据红外人体传感器和超声波传感器的输入，决定是否需要进行报警。
具体流程图如下所示：
流程图中，在系统上电后，首先对 GSM 模块进行配置，包括修改 GSM 模块为收发英文短信模式。配置好之后，在进行人体感应和距离感应的数据采集。如果发生上述问题，此时就需要及时进行声音报警和短信报警。
5 系统机械结构设计
在本设计中，如果单纯的只是设计硬件电路板，而没有手杖模型进行装配，并将会影响到本设计的实际使用效果。为此，采用犀牛 Rhino 4.0 来进行机械结构的设计。Rhino 4.0 是近幾年发展迅速的一种机械图纸设计软件，具有易学易懂的特点，收到大家的追捧。本设计采用 Rhino 4.0 软件，设计智能手杖的手持部分机械结构设计、手杖防滑处理。
6 实物制作
在系统的硬件选型与设计完成后，为了检验设计的合理性，必须经过实物加工检验。首先，按照电路图进行整体电路的焊接。电路焊接首先需考虑元件高度，先把高度较低的元件焊接好，再依次焊接高度较高的元件，直到所有元件焊接完毕。
在此基础上，应检查线路是否有虚焊、电路的情况。检测时先不直接上电，采用万用表即可完成检测。当电路没有短路、断路时，表明电路初步正确，此时才可以通电进行测试。在测试汇总，发现液晶屏的两个引脚短路。发现问题后，及时进行修改。
7 结论
本设计的硬件电路中，单片机需要完成红外传感器、超声波传感器。按键输入这三个输入量的采集。根据采集的输入量，决定是否产生报警。如果需产生报警，首先产生声音报警，并立刻开始收集 GPS 定位经纬度信息，并通过短信发送到监护人手机上。
软件部分，按照硬件电路的结构和元件选择，进行了程序开发。在系统上电后，程序首先对 GSM 模块进行配置，包括修改 GSM 模块为收发英文短信模式。配置好之后，在进行人体感应和距离感应的数据采集。如果发生上述问题，此时就需要及时进行声音报警和短信报警。
硬件电路和软件程序设计好之后，又做了手杖的外壳机械模型。采用 Rhino 4.0软件，在充分考虑到电路板的尺寸和装配情况，需要多次测试，最终确定下来即可。
经过上述内容，制作的实物满足设计要求，具有一定的实际使用价值。
参考文献
[1]沈爱英.社区老年人跌倒的原因分析及护理干预进展.解放军护理杂志.2009.
[2]于南翔，陈东义，夏侯士戟.可穿戴计算技术及其应用的新发展.数字通信.2012.4.
[3]李刚.疯狂 Android 讲义.电子工业出版社.2011.7.
[4]杨丰盛.Android 应用开发揭秘.机械工业出版社.2010.1.